CN103454150A - 一种全视角三维可调的多用途细观可视装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全视角三维可调的多用途细观可视装置。该装置由全视角三维可调系统和细观可视系统组成，其中，全视角三维可调系统包括底座支撑平台、X轴齿条轴、Y轴齿条轴、X轴齿轮旋钮、Y轴齿轮旋钮、X轴滑板、Y轴滑板、固定盘座、旋转支架、销紧螺栓、Z轴立杆、Z轴齿条轴、Z轴齿轮旋钮、框架、销紧螺栓；细观可视系统包括FIT CCD摄像机、同轴照明光源、光学显微镜、固定螺栓、光源线和信号线、计算机采集分析系统。主要优点是实现了全视角和三维精确可调，能够实时、动态、全过程地观测、记录和分析细观力学试验中材料的细观力学行为，并且结构简单、操作方便，为研究煤、岩、金属等多种材料的细观力学行为提供了有效工具。

Description

一种全视角三维可调的多用途细观可视装置

技术领域

本发明涉及材料细观力学行为研究领域，尤其是涉及一种全视角三维可调的多用途细观可视装置。

背景技术

随着各工程领域研究工作的不断深入，对研究对象力学行为的探索已进入细观阶段。例如，矿业工程领域的煤和围岩材料，已不再仅仅满足于对其宏观动力现象和力学行为的研究，其受力后细观微裂纹的萌生、发展、贯通、脆断，或细观微孔洞的成核、生长汇合、韧断，直至产生宏观裂纹、断裂破坏的机理及影响因素是目前研究热点。又如，土建工程领域的岩石、混泥土和钢筋等材料力学特性研究，仪器仪表工程领域金属材料承重、承压特性研究等等，对这些材料的细观力学行为的研究可填补宏观力学行为研究的空白，为全面掌握各种工程材料特性、更好地生产或使用它们提供技术支持，更好地保障安全生产或安全使用。

细观力学行为研究主要通过细观力学试验进行，即研究材料在力学加载条件下的细观结构（微裂纹、微孔洞）的演变过程，进而掌握材料的力学行为。目前，一些学者研制了相关的装置设备，曹树刚等发明了采用分级显微支架布置模式的三维移动显微观测装置（申请号：CN200820099769.3），它的不足在于该装置相对复杂和笨重，且无法保证观测视线和试件裂纹发展处于垂直视角；周翠英等发明了一种岩土软化细观力学试验的三轴可调显微观测系统（申请号：CN200910036622.9），它的不足同样在于无法实现不同试件的裂纹发展的垂直视角观测，且无法精确三维调节的尺寸。归纳来说，可视装置多为某一类试验所用，存在整体结构设计不合理、结构简单的却观测功能少、功能较多的又装置复杂而笨重等不足。可见，为了全面掌握试验过程中材料的细观力学状态，有必要设计一个能实时、动态、全过程地三维全视角观测、记录和分析细观力学试验中材料细观力学行为，且结构相对简单、操作方便的细观可视装置。

发明内容

针对现有可视装置存在的问题，本发明的目的在于提供一种全视角三维可调的多用途细观可视装置，以实现全视角三维可调，实时、动态、全过程地观测、记录和分析细观力学试验中材料的细观力学行为，并且结构简单、操作方便，可用于煤、岩、金属等多种材料试件（柱形或方形均可）的细观力学试验。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

发明一种全视角三维可调的多用途细观可视装置，包括全视角三维可调系统和细观可视系统，其中X轴齿条轴固定于底座支撑平台上，X轴滑板通过齿轮齿条作用可在X轴方向上滑移，Y轴滑板通过齿轮齿条作用可在X轴滑板上沿Ｙ轴滑移，Y轴齿条轴固定于Y轴滑板上，在Y轴滑板中央安装固定盘座，旋转支架嵌套在固定盘座上，在旋转支架上部平台上安装Z轴立杆，Z轴齿条轴固定于Z轴立杆中间轴线上，框架通过齿轮齿条作用可在Z轴立杆上滑移，FIT CCD摄像机、同轴照明光源和光学显微镜通过固定螺栓连接在框架的一端，从FIT CCD摄像机和同轴照明光源分别引出的光源线和信号线通过接口连接于计算机采集分析系统。

进一步，所述X轴齿条轴、Y轴齿条轴、Z轴齿条轴上均附有长度刻值，并由X轴齿轮旋钮、Y轴齿轮旋钮、Z轴齿轮旋钮调整对应的X轴滑板、Y轴滑板、Z轴立杆所在轴向的位置，通过计算调整位置前后的齿轮与齿条啮合处读值之差，可读取相应刻度值，确定在实时、动态、全过程观测时细观可视系统在三维轴线上滑移的距离；所述X轴齿轮旋钮和Y轴齿轮旋钮嵌套配置在X轴滑板上，用以分别调整X轴滑板和Ｙ轴滑板的滑移。

进一步，所述固定盘座由底部大圆柱、上部小圆柱塑材组成，且小圆柱塑材表面附有角度刻值，所述旋转支架嵌套在上部小圆柱塑材上，并通过销紧螺栓来调整或固定细观可视系统的观测角度，同时根据调整前后的销紧螺栓箭头对应的刻度值，可计算出旋转的角度值，确定对于柱体或方体试件细观结构动态演化过程在全视角观测下的视角变化。

进一步，所述旋转支架为镂空结构，下部为圆柱镂空，用于嵌入固定盘座，中间镂空用以方便读取角度值，两侧立杆连接旋转支架的上下部，其上部为一平台，用于安装Z轴立杆。

进一步，所述Z轴齿轮旋钮可调整框架在Z轴立杆上的位置，为防止由框架和细观可视系统的自重作用而产生Z轴齿轮在齿条上缓慢下滑现象，在框架和Z轴立杆重合处设置销紧螺栓，用以固定框架；所述框架为镂空结构，由四周铁片构成，并在两长轴侧开有窗口，用以方便操作固定细观可视系统用的固定螺栓；靠近细观可视系统侧边缘有一豁口，用以放入光源线和信号线。

进一步，所述FIT CCD摄像机前端布置光学显微镜，同轴照明光源呈环形嵌套在光学显微镜外侧，为显微摄像提供光源；所述计算机采集分析系统包含数据采集系统和计算机记录、分析、处理和显示系统，从FIT CCD摄像机和同轴照明光源分别引出的光源线和信号线通过接口分别接入数据采集系统，数据采集系统再由数据线接入计算机。

本发明的有益效果是：

1、本发明实现了全视角、精确三维调节尺寸地对细观力学试验进行观测。

2、本发明可以实时、动态、全过程地进行观测、记录和分析煤、岩、金属等多种材料的细观力学行为，对柱形和方形试件均适用，是一种多用途的细观可视装置。

3、本发明结构简单、操作方便，易于掌握和使用，且制造和使用成本相对较低。

4、细观可视系统部分可根据使用精度要求进行二次开发和设计，具有性价灵活性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中：1—底座支撑平台，2—X轴齿条轴，3—Y轴齿条轴，4—X轴齿轮旋钮，5—Y轴齿轮旋钮，6—X轴滑板，7—Y轴滑板，8—固定盘座，9—旋转支架，10—销紧螺栓，11—Z轴立杆，12—Z轴齿条轴，13—Z轴齿轮旋钮，14—框架，15—销紧螺栓，16—固定螺栓，17—FIT CCD摄像机，18—同轴照明光源，19—光学显微镜，20—光源线和信号线，21—计算机采集分析系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

如图1所示，本发明为一种全视角三维可调的多用途细观可视装置，主要包括全视角三维可调系统和细观可视系统，并由底座支撑平台1、X轴齿条轴2、Y轴齿条轴3、X轴齿轮旋钮4、Y轴齿轮旋钮5、X轴滑板6、Y轴滑板7、固定盘座8、旋转支架9、销紧螺栓10、Z轴立杆11、Z轴齿条轴12、Z轴齿轮旋钮13、框架14、销紧螺栓15、固定螺栓16、FIT CCD摄像机17、同轴照明光源18、光学显微镜19、光源线和信号线20、计算机采集分析系统21组成。

其中，底座支撑平台1有四个底座，易于人工端放于水平操作平台上，X轴齿条轴2固定于底座支撑平台1上，X轴滑板6在X轴齿轮旋钮4操作下通过齿轮齿条作用可在X轴方向上进行滑移，Y轴滑板7在Y轴齿轮旋钮5操作下通过齿轮齿条作用可在X轴滑板6上沿Ｙ轴滑移，X轴齿轮旋钮4和Y轴齿轮旋钮5嵌套配置在X轴滑板6上，用以分别调整X轴滑板6和Ｙ轴滑板7的滑移，Y轴齿条轴3固定于Y轴滑板7上；X轴齿条轴2、Y轴齿条轴3上均附有长度刻值，并由X轴齿轮旋钮4、Y轴齿轮旋钮5调整对应的X轴滑板6、Y轴滑板7所在轴向的位置，通过计算调整位置前后的齿轮与齿条啮合处读值之差，可读取相应刻度值，确定在实时、动态、全过程观测时细观可视系统在三维轴线上滑移的距离；在Y轴滑板7中央安装固定盘座8，固定盘座8由底部大圆柱、上部小圆柱塑材组成，且小圆柱塑材表面附有角度刻值，旋转支架9嵌套在固定盘座8的上部小圆柱塑材上，并通过销紧螺栓10来调整或固定细观可视系统的观测角度，同时可根据调整前后的销紧螺栓箭头对应的刻度值，计算出旋转支架9旋转的角度值，确定对于柱体或方体试件细观结构动态演化过程在全视角观测下的视角变化；旋转支架9为镂空结构，下部为圆柱镂空，用于嵌入固定盘座8，中间镂空用以方便读取角度值，两侧立杆连接旋转支架的上下部，其上部为一平台，用于安装Z轴立杆11，Z轴齿条轴12固定于Z轴立杆11中间轴线上，Z轴齿轮旋钮13可调整框架14在Z轴立杆11上的位置，为防止由框架和细观可视系统的自重作用而产生Z轴齿轮在齿条上缓慢下滑现象，在框架和Ｚ轴立杆重合处设置销紧螺栓15以固定框架14，框架14为镂空结构，由四周铁片构成，并在两长轴侧开有窗口，用以方便操作固定细观可视系统用的固定螺栓15，靠近细观可视系统侧边缘有一豁口，用以放入光源线和信号线，框架14在Z轴齿轮旋钮13操作下通过齿轮齿条作用可在Z轴立杆11上滑移，Z轴齿条轴12上附有长度刻值，通过计算Z轴齿轮旋钮13调整位置前后的齿轮与齿条啮合处读值之差，可算得框架14在Z轴立杆11上滑移的距离；FIT CCD摄像机17、同轴照明光源18和光学显微镜19通过固定螺栓16连接在框架14的一端，其中FIT CCD摄像机17前端布置光学显微镜19，同轴照明光源18呈环形嵌套在光学显微镜19外侧，为显微摄像提供光源，从FIT CCD摄像机17和同轴照明光源18分别引出的光源线和信号线20通过接口连接于计算机采集分析系统21，计算机采集分析系统21包含数据采集系统和计算机记录、分析、处理和显示系统，其中光源线和信号线20接入的是数据采集系统，数据采集系统再由数据线接入计算机，通过分析软件对数据进行分析和处理。

在进行细观力学试验时，首先启动计算机和分析软件；然后根据材料试件位置调整好底座支撑平台1在试验平台上的位置，即将X轴滑板6、Y轴滑板7恢复至初始位置，旋转支架9由销紧螺栓10固定于固定盘座8上表面刻度0处，框架14位于Z轴立杆11中间位置，并保持与材料试件中间位置在同一水平上；接下来开启数据采集系统电源，调整光学显微镜19使能清晰观测试件表面，并进入预采集阶段；开始细观力学试验，随着试验的进行，材料试件的微裂纹萌生、发展和贯通，随着其演化方向利用X轴齿轮旋钮4、Y轴齿轮旋钮5、Z轴齿轮旋钮13对X轴、Y轴、Z轴进行三维调整，利用销紧螺栓10对旋转支架9进行视角调整，并记下相应的刻度值，直至试验结束；同时，在计算机软件操作上可对试验过程进行全程视频录制，并可实时进行图像冻结捕捉，通过分析软件可对细观结构信息进行提取、测量、分析和处理。

Claims (9)

1.一种全视角三维可调的多用途细观可视装置，其特征在于，该装置包括全视角三维可调系统和细观可视系统。其中，全视角三维可调系统包括底座支撑平台（1）、X轴齿条轴（2）、Y轴齿条轴（3）、X轴齿轮旋钮（4）、Y轴齿轮旋钮（5）、X轴滑板（6）、Y轴滑板（7）、固定盘座（8）、旋转支架（9）、销紧螺栓（10）、Z轴立杆（11）、Z轴齿条轴（12）、Z轴齿轮旋钮（13）、框架（14）、销紧螺栓（15）；细观可视系统包括FIT CCD摄像机（17）、同轴照明光源（18）、光学显微镜（19）、固定螺栓（16）、光源线和信号线（20）、计算机采集分析系统（21）。

所述X轴齿条轴（2）固定于底座支撑平台（1）上，X轴滑板（6）通过齿轮齿条作用可在X轴方向上滑移；所述Y轴滑板（7）通过齿轮齿条作用可在X轴滑板（6）上沿Ｙ轴滑移，Y轴齿条轴（3）固定于Y轴滑板（7）上；在所述Y轴滑板（7）中央安装固定盘座（8），旋转支架（9）嵌套在固定盘座（8）上，在旋转支架（9）上部平台上安装Z轴立杆（11），Z轴齿条轴（12）固定于Z轴立杆（11）中间轴线上，框架（14）通过齿轮齿条作用可在Z轴立杆（11）上滑移；所述细观可视系统中的（17、18、19）通过固定螺栓（16）连接在框架（14）的一端，从FIT CCD摄像机（17）和同轴照明光源（18）分别引出的光源线和信号线（20）通过接口连接于计算机采集分析系统（21）。

2.根据权利要求1所述的一种全视角三维可调的多用途细观可视装置，其特征在于，所述X轴齿条轴（2）、Y轴齿条轴（3）、Z轴齿条轴（12）上均附有长度刻值，并由X轴齿轮旋钮（4）、Y轴齿轮旋钮（5）、Z轴齿轮旋钮（13）调整对应的X轴滑板（6）、Y轴滑板（7）、Z轴立杆（11）所在轴向的位置。

3.根据权利要求1或2所述的一种全视角三维可调的多用途细观可视装置，其特征在于，所述X轴齿轮旋钮（4）和Y轴齿轮旋钮（5）嵌套配置在X轴滑板（6）上。

4.根据权利要求1所述的一种全视角三维可调的多用途细观可视装置，其特征在于，所述固定盘座（8）由底部大圆柱、上部小圆柱塑材组成，且小圆柱塑材表面附有角度刻值；所述旋转支架（9）嵌套在上部小圆柱塑材上，并通过销紧螺栓（10）来调整或固定细观可视系统的观测角度。

5.根据权利要求1或4所述的一种全视角三维可调的多用途细观可视装置，其特征在于，所述旋转支架（9）为镂空结构，下部嵌入固定盘座（8），上部安装Z轴立杆（11）。

6.根据权利要求1或2所述的一种全视角三维可调的多用途细观可视装置，其特征在于，所述Z轴齿轮旋钮（13）可调整框架（14）在Z轴立杆（11）上的位置，所述销紧螺栓（15）以固定框架（14）。

7.根据权利要求1或6所述的一种全视角三维可调的多用途细观可视装置，其特征在于，所述框架（14）为镂空结构，由四周铁片构成，并在两长轴侧开有窗口，靠近细观可视系统侧边缘有一豁口。

8.根据权利要求1所述的一种全视角三维可调的多用途细观可视装置，其特征在于，所述FIT CCD摄像机（17）前端布置光学显微镜（19），所述同轴照明光源（18）嵌套在光学显微镜（19）外侧。

9.根据权利要求1所述的一种全视角三维可调的多用途细观可视装置，其特征在于，所述计算机采集分析系统（21）包含数据采集系统和计算机记录、分析、处理和显示系统。

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